DE102004050022A1 - Device for cooling a nozzle for injecting a reducing agent into an engine exhaust system comprises a cooling circuit through which the reducing agent is circulated between injections - Google Patents

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Abstract

Device for cooling a nozzle (9) for metered injection of a reducing agent into the exhaust system (2) of an internal combustion engine, where the nozzle is periodically supplied with reducing agent from a storage tank (8) by a pulse-type pump (1), comprises a cooling circuit (4, 5, 6, 7) through which the reducing agent is circulated between injections, its return to the tank being blocked during injection.

Description

Es ist bekannt, die Stickoxide im Abgas von Brennkraftmaschinen, insbesondere im Abgas von Dieselbrennkraftmaschinen, durch selektive katalytische Reduktion zu vermindern. Zu diesem Zweck wird das Reduktionsmittel, eine wässrige Harnstofflösung, fein zerstäubt in dosierter Menge in den Abgastrakt eingespritzt. Das zur Zerstäubung verwendete Ventil wird durch einen Kühlmittelkreislauf gekühlt, um die Temperatur des in unmittelbarer Nähe zur Abgasleitung angeordneten Ventils und des darin befindlichen Reduktionsmittels niedrig zu halten.It is known, the nitrogen oxides in the exhaust gas of internal combustion engines, in particular in the exhaust of diesel internal combustion engines, through selective catalytic Reduce reduction. For this purpose, the reducing agent, an aqueous one Urea solution, finely atomised In metered quantity injected into the exhaust tract. The valve used for atomization is through a coolant circuit chilled to the temperature of the arranged in close proximity to the exhaust pipe Valve and the reducing agent therein low to hold.

Eine Einrichtung zur Kühlung eines derartigen Ventils geht beispielsweise aus der DE 198 06 265 C5 als bekannt hervor. Zur Einspritzung von Reduktionsmittel in eine Abgasleitung dient ein elektrisch steuerbares Ventil. Das Ventil ist in einem Kühlkreislauf angeordnet, in dem sich Reduktionsmittel in ständiger Umwälzung befindet. Aus dem Kreislauf wird auch das zur Einspritzung gelangende Reduktionsmittel entnommen. Für die Umwälzung des Reduktionsmittels dient eine in den Kühlkreis geschaltete Pumpe, und der Druck im Kreislauf wird mit Hilfe eines Druckreglers auf einem konstanten Niveau gehalten. Für eine ausreichende Kühlung in jedem Betriebszustand muss offensichtlich ständig eine hohe Kühlmittelmenge in Umlauf gehalten werden, was den Nachteil hat, dass eine hohe Leistung der Pumpe erforderlich ist. Ferner muss der gesamte Kühlkreis ständig auf hohem Druck gehalten werden, da das elektrisch steuerbare Ventil zur Einspritzung des Reduktionsmittels in die Abgasleitung das Reduktionsmittel aus dem Kühlkreislauf entnimmt.A device for cooling such a valve is for example from the DE 198 06 265 C5 as known. For the injection of reducing agent in an exhaust pipe is an electrically controllable valve. The valve is arranged in a cooling circuit in which reducing agent is in constant circulation. From the cycle, the reducing agent that reaches the injection is also removed. For the circulation of the reducing agent used in the cooling circuit connected pump, and the pressure in the circuit is maintained by means of a pressure regulator at a constant level. For a sufficient cooling in each operating state obviously a high amount of coolant must constantly be kept in circulation, which has the disadvantage that a high performance of the pump is required. Furthermore, the entire cooling circuit must be kept constantly at high pressure, since the electrically controllable valve for injecting the reducing agent into the exhaust pipe removes the reducing agent from the cooling circuit.

Der im Patentanspruch 1 angegebenen Erfindung liegt das Problem zu Grunde, Kühlung und Einspritzung mit einfachen Bauteilen ohne aufwendige Steuerung zu realisieren, und dabei die im Kühlkreis umlaufende Menge an Kühlmittel auf den am jeweiligen Betriebszustand orientierten tatsächlichen Kühlbedarf zu begrenzen, um dadurch die erforderliche Pumpenleistung zu minimieren.Of the specified in claim 1 invention is based on the problem cooling and injection with simple components without complex control to realize, and thereby the circulating in the cooling circuit amount coolant on the actual operating condition oriented actual cooling demand limit, thereby minimizing the required pump power.

Dieses Problem wird durch die im Patentanspruch 1 aufgeführten Merkmale dadurch gelöst, dass die Förderstöße einer periodisch pulsweise fördernden Pumpe durch eine Steuereinrichtung aufgeteilt werden in Massenstromstöße zur Kühlung und zur Einspritzung. Eine Einspritzung wird in einfacher Weise dadurch realisiert, dass der Abfluss von Reduktionsmittel, das als Kühlmittel dient, aus dem Kühlkreis, der mit der zur Düse führenden Einspritzleitung hydraulisch verbunden ist, zurück in den Vorratsbehälter unterbrochen ist, so dass ein starker Druckimpuls an der Düse ankommt, die auf den anstehenden hohen Druck anspricht und für eine Einspritzung öffnet. Zur Nutzung eines Förderstoßes für die Kühlung ist die Absperrung des Kühlkreises aufhebbar, so dass der Druck niedrig bleibt, ohne die Düse zu öffnen und die gesamte Druckenergie in Bewegungsenergie für die Umwälzung des Reduktionsmittels im Kühlkreis umgesetzt wird. Zweckmäßigerweise werden ein oder mehrere Förderstöße der Pumpe zwischen zwei Einspritzungen zur Kühlung verwendet.This Problem is solved by the features listed in claim 1 solved by that the subsidies of a periodically pulse-promoting Pump be divided by a control device in mass flow surges for cooling and Injection. An injection is thereby easily realized that the outflow of reducing agent acting as a coolant serves, from the cooling circuit, the one with the nozzle leading Injection line is hydraulically connected, broken back into the reservoir is, so that a strong pressure pulse arrives at the nozzle, which depends on the upcoming high pressure responds and for an injection opens. To use a feed stroke for the cooling is the shut-off of the cooling circuit reversible, so that the pressure remains low without opening the nozzle and the entire pressure energy in kinetic energy for the circulation of the reducing agent in the cooling circuit is implemented. Conveniently, will be one or more pump surges of the pump used between two injections for cooling.

Zur Unterbrechung oder zur Freischaltung des Durchflusses zum Vorratsbehälter dient zum Beispiel ein einfaches Schaltventil, das zwischen zwei Schaltstellungen hin- und herschaltbar ist. Die Ansteuerung des Schaltventils erfolgt zweckmäßigerweise durch ein Steuergerät im Takt der Förderfrequenz der Pumpe. Bei Ausbildung der Pumpe als Konstanthubpumpe wird die Hubfrequenz zur Dosierung der für die Einspritzung und Kühlung erforderlichen Mengen verändert. Als Steuerparameter können Motorbetriebsparameter, Kühlbedarf und/oder Abgaszusammensetzung dienen. Vorzugsweise liegt die Düse in einem Raum des Kühlkreises, der Entnahmeraum für das einzuspritzende Reduktionsmittel ist und zugleich auch von dem zur Kühlung gebrauchten Reduktionsmittel durchströmt ist.to Interruption or to unlock the flow to the reservoir is used For example, a simple switching valve that is between two switch positions can be switched back and forth. The control of the switching valve takes place expediently through a control unit in time with the conveyor frequency the pump. When forming the pump as Konstanthubpumpe is the Stroke frequency for dosing the for the injection and cooling changed required quantities. As control parameters can Engine operating parameters, cooling demand and / or exhaust gas composition. Preferably, the nozzle is in one Room of the cooling circuit, the removal room for is to be injected reducing agent and at the same time of the for cooling flows through used reducing agent.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben:One embodiment The invention is illustrated in the drawing and will be described below described in more detail:

Es zeigen:It demonstrate:

1 eine schematische Darstellung der Bauteile einer erfindungsgemäßen Einrichtung; 1 a schematic representation of the components of a device according to the invention;

2 einen Längsschnitt durch eine für die Einspritzung von Reduktionsmittel in eine Abgasleitung verwendete Düse; 2 a longitudinal section through a nozzle used for the injection of reducing agent in an exhaust pipe;

3 eine schematische Darstellung der pulsierenden Massenstromanteile für Einspritzung ein Kühlung. 3 a schematic representation of the pulsating mass flow components for injection cooling.

Die 1 zeigt eine schematische Ansicht einer Einrichtung zur dosierten Einspritzung eines Reduktionsmittels in das einen Abgastrakt 2 durchströmenden Abgas 3 einer nicht dargestellten Brennkraftmaschine. Die Einrichtung ist mit einem aus mehreren Leitungsabschnitten 4, 5, 6, 7 bestehenden Kühlkreis gebildet, der einen Vorratsbehälter 8, eine Pumpe 1, eine Düse 9 und ein Schaltventil 10 miteinander verbindet. Der von der Pumpe 1 zur Düse 9 führende Leitungsabschnitt 5 wird auch als Einspritzleitung bezeichnet. Den Leitungsabschnitten 4, 5, 6, 7 sind Pfeile zugeordnet, die die Fließrichtung des Reduktionsmittels im Kühlkreis symbolisieren sollen. Die Einrichtung umfasst ferner ein Steuergerät 17, das über strichliniert dargestellte Steuerleitungen mit einem Temperatursensor 11, der Pumpe 1 und dem Schaltventil 10 verbunden ist. Weitere strichlinierte Linien sollen andeuten, dass das Steuergerät 17 weitere Eingangssignale erhält, wie Motorbetriebsparameter, die Abgaszusammensetzung symbolisierende Kennwerte oder sonstige Kennwerte. Die Pumpe 1 ist als Kolbenpumpe oder als Membranpumpe ausgeführt, die das Reduktionsmittel pulsweise periodisch fördert.The 1 shows a schematic view of a device for metered injection of a reducing agent in the one exhaust tract 2 flowing exhaust gas 3 an internal combustion engine, not shown. The device is with one of several line sections 4 . 5 . 6 . 7 existing cooling circuit formed a reservoir 8th , a pump 1 , a nozzle 9 and a switching valve 10 connects with each other. The one from the pump 1 to the nozzle 9 leading line section 5 is also referred to as injection line. The pipe sections 4 . 5 . 6 . 7 Arrows are assigned to the flow direction to symbolize the reducing agent in the cooling circuit. The device further comprises a control unit 17 , the control lines shown by dashed lines with a temperature sensor 11 , the pump 1 and the switching valve 10 connected is. Other dashed lines indicate that the control unit 17 receives further input signals, such as engine operating parameters, the exhaust gas composition symbolizing characteristic values or other characteristic values. The pump 1 is designed as a piston pump or as a diaphragm pump, which promotes the reducing agent pulse-wise periodically.

Die in 2 dargestellte Düse 9 dient zum Einspritzen von Reduktionsmittel in den Abgastrakt 2. Die Düse 9 öffnet in Ansprache auf den an den Flächen eines Ventilelements 12 anstehenden Druck. Eine Öffnung, bei dem das Ventilelement 12 gegen die Kraft einer Schließfeder 13 von einem Dichtsitz 14 abhebt, erfolgt jedoch erst, wenn eine durch die Vorspannkraft der Schließfeder 13 und die Flächenquerschnitte vorgegebene Druckhöhe erreicht wird. Dies wird bei der zugrundeliegenden Erfindung ausgenutzt, um auf einfache Weise einen Teil der von der Pumpe 1 erzeugten Förderstöße für die Kühlung oder für die Einspritzung zu verwenden. Wenn nämlich das Schaltventil 10 den Durchfluss zum Vorratsbehälter 8 freigibt, kann kein Druck aufgebaut werden, der ausreicht, die Düse 9 zu öffnen. In diesem Fall wird der von der Pumpe 1 geförderte Massenstrom zur Umwälzung des im Kühlkreis anwesenden Reduktionsmittels genutzt, wobei der Druck im Kühlkreis kaum höher als im Vorratsbehälter 8 ist. Infolge der Umwälzung wird auch das im Raum 15 um die Düse 9 herum anwesende Reduktionsmittel in Bewegung versetzt und dadurch die Düse 9 und das in der Düse 9 enthaltene Reduktionsmittel gekühlt. Der Raum 15 steht symbolisch für Kühlräume innerhalb und außerhalb der Düse 15. Kühlräume können insbesondere auch Kühlkanäle sein, die im Düsengehäuse 16 verlaufen, die in der Zeichnung aber nicht näher ausgeführt sind. Der Raum 15 steht weiterhin für einen Kühlkreisabschnitt, der die Entnahme von Reduktionsmittel für die Kühlung oder die Einspritzung ermöglicht. Der Raum 15 kommuniziert mit Kühlkanälen und Einspritzkanälen in der Düse.In the 2 illustrated nozzle 9 serves for injecting reducing agent into the exhaust gas tract 2 , The nozzle 9 opens in response to the on the surfaces of a valve element 12 pending pressure. An opening in which the valve element 12 against the force of a closing spring 13 from a sealing seat 14 takes off, but only when one by the biasing force of the closing spring 13 and the area cross sections predetermined pressure level is reached. This is exploited in the underlying invention to easily a part of the pump 1 to generate generated delivery shocks for cooling or for injection. Namely, when the switching valve 10 the flow to the reservoir 8th releases, no pressure can be built up, which is sufficient, the nozzle 9 to open. In this case, that of the pump 1 promoted mass flow used to circulate the reducing agent present in the cooling circuit, the pressure in the cooling circuit is hardly higher than in the reservoir 8th is. As a result of the upheaval, this will also happen in the room 15 around the nozzle 9 around present reducing agent in motion and thereby the nozzle 9 and in the nozzle 9 contained reducing agent cooled. The space 15 symbolizes cold rooms inside and outside the nozzle 15 , In particular, cooling chambers can also be cooling channels that are located in the nozzle housing 16 run, but are not detailed in the drawing. The space 15 also stands for a cooling circuit section, which allows the removal of reducing agent for cooling or injection. The space 15 communicates with cooling channels and injection channels in the nozzle.

Eine Einspritzung findet statt, wenn das Schaltventil 10 den Kühlkreis unterbricht, das heißt, den Abfluss von Reduktionsmittel zurück zum Vorratsbehälter 8 sperrt. Dann kommen die Förderstöße der pulsierend fördernden Pumpe 1 mit hohem Druck pulsweise bei der Düse 9 an, wobei das Ventilelement 12 öffnet und eine Einspritzung stattfindet. Vorteilhaft ist, dass die Düse 9, weil selbsttätig druckgesteuert öffnend, nicht angesteuert werden muss, dass vielmehr allein durch die Steuerung der Hubfrequenz der Pumpe 1 und das einfache Schaltventil 10 die Massenströme für Kühlung und Einspritzung gesteuert werden können. Dadurch ist zum einen der Steueraufwand gering und zum anderen sind die Bauteile einfach und dadurch kostengünstig.An injection takes place when the switching valve 10 interrupts the cooling circuit, that is, the outflow of reducing agent back to the reservoir 8th locks. Then come the delivery surges of the pulsating pump 1 with high pressure pulsating at the nozzle 9 on, wherein the valve element 12 opens and an injection takes place. It is advantageous that the nozzle 9 , because automatically pressure-controlled opening, must not be controlled, but rather solely by controlling the stroke frequency of the pump 1 and the simple switching valve 10 the mass flows for cooling and injection can be controlled. As a result, on the one hand the tax expense is low and on the other hand, the components are simple and therefore inexpensive.

Das in 3 dargestellte Diagramm zeigt schematisch eine Abfolge von Massenströmen, die als Rechtecke 20, 21 dargestellt sind, und die im Takt der Hubfrequenz der Pumpe 1 aufeinander folgen. Zwischen drei Rechtecken 20, die für Einspritzungen stehen, sind jeweils drei Rechtecke 21 dargestellt, die für Massenströme stehen, die zur Kühlung genutzt werden. Bei für die Kühlung verwendeten Förderpulsen ist das in 1 dargestellte Schaltventil 10 geöffnet, so dass das von der Pumpe 1 geförderte Reduktionsmittel über den zwischen Schaltventil 10 und Vorratsbehälter 9 angeordneten Leitungsanschnitt 7 abströmen kann, so dass eine Umwälzung von Kühlmittel im gesamten Kühlkreis stattfindet. Eine Einspritzung erfolgt, wenn der Kühlkreis durch das Schaltventil 10 unterbrochen wird. Die Anzahl der für die Kühlung verwendeten Förderpulse kann beliebig variiert werden. Weiter kann Kühlmenge und Einspritzmenge durch Änderung der Hubfrequenz der Pumpe 1 variiert werden.This in 3 Diagram shown schematically shows a sequence of mass flows, called rectangles 20 . 21 are shown, and in time with the stroke frequency of the pump 1 follow one another. Between three rectangles 20 , which are for injections, are each three rectangles 21 represented, which are mass flows, which are used for cooling. When used for cooling conveyor pulses that is in 1 illustrated switching valve 10 open, leaving the pump 1 subsidized reducing agent over the between switching valve 10 and reservoir 9 arranged line section 7 can flow, so that a circulation of coolant takes place in the entire cooling circuit. Injection occurs when the cooling circuit through the switching valve 10 is interrupted. The number of delivery pulses used for the cooling can be varied as desired. Next, the cooling amount and injection quantity by changing the stroke frequency of the pump 1 be varied.

Claims (9)

Einrichtung zur Kühlung einer Düse (9) für die dosierte Einspritzung eines Reduktionsmittels, insbesondere einer wässrigen Harnstofflösung, in den Abgastrakt (2) einer Brennkraftmaschine, insbesondere einer Dieselbrennkraftmaschine, mit einer aus einem Vorratsbehälter (8) Reduktionsmittel ansaugenden und periodisch pulsweise fördernden Pumpe (1), insbesondere einer Kolbenpumpe oder einer Membranpumpe, ferner mit einem die Pumpe (1), die Düse (1) und den Vorratsbehälter (8) verbindenden Kühlkreis (4, 5, 6, 7), in den der von der Pumpe (1) geförderte Massenstrom für die Einspritzung gelangt, und in dem das zur Kühlung der Düse (9) von der Pumpe (1) geförderte Reduktionsmittel umgewälzt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Düse (9) auf den anstehenden Druck ansprechend pulsweise Reduktionsmittel in den Abgastrakt (2) auslässt, dass während der Einspritzung der Abfluss von Reduktionsmittel aus dem Kühlkreis (4, 5, 6, 7) zurück in den Vorratsbehälter (8) gesperrt ist, und dass die Sperrung des Kühlkreises (4, 5, 6, 7) zwischen zwei Einspritzungen aufhebbar ist.Device for cooling a nozzle ( 9 ) for the metered injection of a reducing agent, in particular an aqueous urea solution, into the exhaust gas tract ( 2 ) an internal combustion engine, in particular a diesel internal combustion engine, with one of a reservoir ( 8th ) Reducing agent sucking and periodically pulsating pump ( 1 ), in particular a piston pump or a diaphragm pump, further comprising a pump ( 1 ), the nozzle ( 1 ) and the reservoir ( 8th ) connecting cooling circuit ( 4 . 5 . 6 . 7 ) into which the pump ( 1 ) supplied mass flow for the injection, and in which the cooling of the nozzle ( 9 ) from the pump ( 1 ) is circulated promoted reductant, characterized in that the nozzle ( 9 ) in response to the upcoming pressure pulsating reducing agent in the exhaust gas tract ( 2 ) omits that during the injection of the outflow of reducing agent from the cooling circuit ( 4 . 5 . 6 . 7 ) back to the reservoir ( 8th ), and that the blockage of the cooling circuit ( 4 . 5 . 6 . 7 ) can be canceled between two injections. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass abhängig vom Kühlbedarf zwischen zwei Einspritzungen keine, ein oder mehrere Förderpulse der Pumpe (1) liegen.Device according to claim 1, characterized in that, depending on the cooling requirement between two injections, none, one or more delivery pulses of the pump ( 1 ) lie. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass im Kreislauf (4, 5, 6, 7) stromab von der Düse (9) zwischen der Düse (9) und dem Vorratsbehälter (8) ein Schaltventil (10) angeordnet ist, das den Durchfluss des Reduktionsmittels durch den Kühlkreis (4, 5, 6, 7) steuert.Device according to claim 1 or 2, characterized in that in the circuit ( 4 . 5 . 6 . 7 ) downstream of the nozzle ( 9 ) between the nozzle ( 9 ) and the reservoir ( 8th ) On-off valve ( 10 ) is arranged, which the flow of the reducing agent through the cooling circuit ( 4 . 5 . 6 . 7 ) controls. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltventil (10) von einem Steuergerät (17) elektrisch ansteuerbar ist.Device according to claim 3, characterized in that the switching valve ( 10 ) from a control device ( 17 ) is electrically controllable. Einrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltventil (10) je nach Kühlbedarf variabel während eines oder mehrerer Förderpulse in den Durchfluss durch den Kühlkreis (4, 5, 6, 7) ermöglichender Schaltstellung verbleibt.Device according to claim 2 or 3, characterized in that the switching valve ( 10 ) depending on cooling demand variable during one or more delivery pulses in the flow through the cooling circuit ( 4 . 5 . 6 . 7 ) enabling switching position remains. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpe (1) als Konstanthubpumpe ausgebildet ist, und dass zur Dosierung des Reduktionsmittels die Hubfrequenz in Abhängigkeit von Motorbetriebsparametern, und/oder dem Kühlbedarf und/oder der Abgaszusammensetzung durch elektrische Ansteuerung des Pumpenantriebs veränderbar ist.Device according to one of claims 1 to 5, characterized in that the pump ( 1 ) is designed as a Konstanthubpumpe, and that for metering the reducing agent, the stroke frequency in response to engine operating parameters, and / or the cooling demand and / or the exhaust gas composition by electrical control of the pump drive is variable. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Düse (9) selbsttätig in Abhängigkeit vom anstehenden Druck zu öffnen ist.Device according to one of claims 1 to 6, characterized in that the nozzle ( 9 ) is to be opened automatically depending on the upcoming pressure. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Düse (9) an einen Raum (15) mit Kühlmittel angrenzt, in den Kühlkanäle und Einspritzkanäle der Düse (9) münden.Device according to one of claims 1 to 6, characterized in that the nozzle ( 9 ) to a room ( 15 ) with coolant, in the cooling channels and injection channels of the nozzle ( 9 ). Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Raum (15) auf dem Außenumfang der Düse (9) einen mit dem Kühlkreis (4, 5, 6, 7) kommunizierenden Kühlmantel bildet.Device according to claim 6, characterized in that the space ( 15 ) on the outer circumference of the nozzle ( 9 ) one with the cooling circuit ( 4 . 5 . 6 . 7 ) communicating cooling jacket forms.
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